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科普知識
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PLC可編程控制器

PLC雙CPU冗余控制實現

發布日期:2022-04-22 點擊率:99 品牌:小金井_Koganei

1  應用背景描述

        熔鹽爐自控系統是一水硬鋁管道化溶出生產線上的重要環節,控制熔鹽的加熱和循環,用熔鹽的熱量去循環加熱鋁礦石漿。鋁礦石漿的加熱至關重要,影響最終產品—氧化鋁的質量和產量,因此,熔鹽的溫度控制和循環控制非常重要。

        由于熔鹽爐系統在管道化工程中的重要性,同時考慮到熔鹽是一種活躍的化學品,在不同的溫度下有不同的形態,低溫下凝固,高溫下不穩定會發生化學反應,從而腐蝕管壁甚至于爆炸,所以安全、可靠、操作簡便和自動化管理是系統設計的關鍵,因此考慮用一套雙CPU冗余的PLC、兩套工控機、高質量的傳感器、變送器和執行機構來控制兩臺1200萬大卡的熔鹽爐、一臺鹽泵、一組鹽閥、一個熔鹽槽和其他相關設備,實現熔鹽的加熱和循環過程自動化、計算機操作、監控和管理的自動化控制。

 控制器PLC、工控機(包括顯示器)、通訊網絡和電源及關鍵測試點等系統中的重要部件均采用冗余結構,兩套工控機和大屏幕顯示器組成的兩套監控操作管理臺并行運行;兩條冗余的ControlNet高速通訊網絡同時傳送數據;兩套直流電源同時向控制器PLC、變送器和開關量輸入模塊供電,關鍵測試點同時設置兩個傳感器測試數據。冗余設計使系統關鍵部件的可靠性提高了一倍,而使系統的整體可靠性大大的提高。

2  雙CPU的PLC控制器

        PLC控制器是系統控制的中心,采集系統的全部工況信號,實時控制相關的設備動作;同時監視生產過程參數和設備運行狀態,當危險工況出現時,及時發出聲光報警,當極限工況、出現時,聯鎖保護設備,保障生產過程安全。在這里,我們選擇了AB ControlLogix系列,同時考慮采用雙CPU模塊冗余,進一步提高系統可靠性,避免因故障出現所引起的生產停頓或安全事故。

3  兩種雙CPU冗余方式的比較

        ControlLogix提供有兩種CPU冗余解決方法,一種為純硬件冗余,另一種為軟件冗余。硬件冗余的方法,是將兩個CPU模塊插在不同的兩個機架上,每個機架上除了CPU模塊,還要有通訊模CNBR、熱備模塊SRM和兩個熱備模塊間的連接光纜,如圖2所示。軟件冗余,是將兩個CPU模塊插在同一個框架上,利用背板通訊,進行冗余控制。

 從以上可以看出,純硬件冗余的方式硬件投入較多,成本開支較大大。而軟件冗余,只需增加一塊CPU模塊,成本增加很少,因為一般像CPU這種PLC的心臟,廠家都會配有備件,用備件來實現冗余控制,既提高了系統的可靠性和可維護性(可做到在線維護,不影響生產線運行),又不會顯著增加成本開支。

        單純從可靠性方面分析,純硬件的冗余較之軟件冗余并無優勢。因為增加了較多的部件、模塊,這些部件和模塊的故障,也會影響系統的可靠性。例如,當兩個熱備模塊之間的連接光纜出現故障,同樣會使冗余控制失效。而軟件冗余,只增加了一塊CPU模塊,而兩個CPU模塊的同時故障率幾乎為零。

        純硬件冗余的優點之一,就是不需要軟件進行專門的編程,CPU的狀態監視和控制權的轉移是由兩個熱備模塊來完成的。而軟件冗余中兩個CPU模塊的狀態監視和控制權的轉移是通過軟件編程解決的。因此,軟件冗余編程相對比較復雜,工作量較大。

        綜合考慮以上因素,本熔鹽爐自動系統采用軟件方式實現PLC的雙CPU冗余控制。兩塊CPU模塊同時在系統中運行,一塊運行于主控模式,另一塊運行于熱備份模式。當其中任一塊CPU發生故障時另一塊CPU立即監視到并發出報警,自動將正常的CPU投入主控模式。CPU的無擾動切換,使系統一直受控,確保了安全,同時,使管道化生產線一直處于正常運行的良好工況中。

4  軟件實現

CPU冗余控制的軟件實現編程主要從下面兩方面考慮:

        1、控制權的裁決和轉移,兩塊CPU同時在線運行,一塊處于主控制模式,另一塊處于熱備模式。擁有主控制權的CPU具有輸出控制權,而熱備CPU同時采集數據和保持通訊連接,但輸出被禁止。兩個CPU模塊互相監視對方的運行狀態和通訊情況,一旦發現對方故障,立即發出報警,通過ControlNet網,傳送給上位工控機,在操作管理臺上顯示報警。如果是主控CPU模塊故障,熱備CPU模塊自動獲得主控制權。

   2、兩塊CPU模塊的同步控制,由于熱備CPU隨時準備著,一旦主CPU故障,就立即獲取主控制權而成為主控CPU,因此,主CPU必須將自己的信息隨時傳遞給熱備CPU,而熱備CPU必須跟蹤主CPU的變化,與主CPU保持同步,這樣,在兩塊CPU模塊進行控制權的轉移時,實現無擾動切換。

5  結束語

        我們的體會是,雙CPU冗余控制的軟件方式實現是一種經濟、有效的方法,它成本支出不大,卻能使系統的可靠性大大提高。另外,雙CPU冗余控制時,如何利用Map命令,只將具有主控制權的CPU數據通過ControlNet網傳送給其他控制設備,是值得進一步研究的。

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